O aglomerado de bala prova que a matéria escura existe, mas não pela razão que a maioria dos físicos pensa
O mapa de lentes gravitacionais (azul), sobreposto aos dados ópticos e de raios-X (rosa) do aglomerado Bullet. A incompatibilidade é inegável. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Mapa de Lentes: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Óptico: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al .
Se a gravidade não é onde está o problema, as coisas ficam em apuros muito, muito rapidamente.
A imagem acima, uma composição de dados ópticos, dados de raios-X e um mapa de massa reconstruído, é uma das mais famosas e informativas de toda a astronomia. Conhecido como Conjunto de bala , mostra dois aglomerados de galáxias que colidiram recentemente. As galáxias individuais presentes dentro dos aglomerados, como dois canhões cheios de tiros de pássaros disparados um contra o outro, passaram direto um pelo outro, pois as chances de colisão eram extremamente baixas. No entanto, o gás intergaláctico dentro de cada aglomerado, amplamente difuso e constituindo a maior parte da matéria normal, colidiu e aqueceu, emitindo raios-X que podemos ver hoje. Mas quando usamos nosso conhecimento da Relatividade Geral e a curvatura da luz de fundo para reconstruir onde a massa deve estar, a encontramos ao lado das galáxias, não com a matéria intra-aglomerado. Portanto, a matéria escura deve existir.
De acordo com a linha de raciocínio padrão, os aglomerados são compostos de matéria escura e matéria normal na proporção de 5:1. Quando colidem, a matéria normal difusa colide, gruda e aquece, enquanto os aglomerados (galáxias) e a matéria escura passam, criando os efeitos observados.
Um aglomerado de galáxias em fusão no MACS J0416.1–2403 exibe uma separação diferente e menor do gás de raios-X do sinal gravitacional, mas isso é esperado, pois esse aglomerado está em um estágio diferente de sua fusão e ainda há um deslocamento . Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/SAO/G.Ogrean et al.; Óptico: NASA/STScI; Rádio: NRAO/AUI/NSF.
Mas, como em qualquer grande ideia, todas as alternativas devem ser consideradas. Os raios X não mentem: há realmente tanta matéria entre os dois aglomerados separados hoje, então qualquer argumento em contrário deve ser descartado. A ideia de que existem aglomerados invisíveis e ultracompactos de matéria normal dentro dos aglomerados é intrigante, mas um conjunto sistemático de observações e análises indica que não pode ser suficiente para explicar os efeitos observados. E a ideia de que isso é exclusivo para este aglomerado no Universo é refutada pelo grande número de outros aglomerados em colisão que foram encontrados e observados exibindo os mesmos efeitos.
Quatro aglomerados de galáxias em colisão, mostrando a separação entre os raios X (rosa) e a gravitação (azul), indicativo de matéria escura. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Óptico/Lente: CFHT/UVic./A. Mahdavi et ai. (superior esquerdo); Raio X: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Óptico: NASA/STScI/UCDavis/W.Dawson et al. (canto superior direito); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milão, Itália)/CFHTLS (canto inferior esquerdo); Raio-X: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidade da Califórnia, Santa Bárbara) e S. Allen (Universidade de Stanford) (canto inferior direito).
Talvez, então, haja uma alternativa intrigante que devemos considerar: que sob as condições certas, gravidade exibe efeitos não locais . Isso parece loucura, mas é uma marca registrada de muitos processos fisicamente importantes, como o universo quântico. A ideia básica é que os efeitos da gravitação ocorrem em locais diferentes de onde está a maior parte da matéria. As teorias de gravidade não local são excelentes para reproduzir os sucessos de ideias de gravidade modificadas, como as curvas de rotação das galáxias. Enquanto um papel recente usaram restrições de ondas gravitacionais e raios gama para descartar algumas variantes de gravidade modificada onde elas viajam ao longo de diferentes caminhos, um dos sobreviventes é MOG: uma teoria da gravidade com efeitos não locais . (Não local significa que seus efeitos não estão totalmente localizados onde as fontes estão localizadas.)
Mas, por mais convincente que isso seja, não pode estar certo, e requer apenas um experimento mental para entender o porquê.
Aglomerados e aglomerados de galáxias exibem efeitos gravitacionais na luz e na matéria por trás deles devido aos efeitos de lentes gravitacionais fracas. Isso nos permite reconstruir suas distribuições de massa, que devem se alinhar com a matéria observada. Crédito da imagem: ESA, NASA, K. Sharon (Universidade de Tel Aviv) e E. Ofek (Caltech).
Imagine o que seria necessário para que dois aglomerados de galáxias, pós-colisão, exibissem um efeito onde a maior parte da matéria está na região central onde ocorreu a colisão, mas onde a maioria dos efeitos gravitacionais estão localizados em outro lugar. Exigiria que a gravidade e a massa não se alinhassem. Isso é, de fato, o que vemos quando olhamos apenas para a matéria normal em aglomerados de galáxias: os lugares onde vemos/rastreamos o gás e onde reconstruímos a massa, a partir de lentes gravitacionais, não se alinham perfeitamente.
(a) Distribuição projetada de matéria escura no campo COSMOS a partir da análise de Massey et al. (2007a). O mapa azul revela a densidade da matéria escura inferida a partir do padrão de distorções fracas vistas em galáxias de fundo pelo Telescópio Espacial Hubble. (b) Mapa equivalente para a matéria bariônica revelada por uma combinação da massa estelar em galáxias fotografadas com o Telescópio Espacial Hubble e gás quente fotografadas com o satélite de raios X XMM–Newton. Crédito da imagem: R. Ellis, Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 13 de março de 2010; 368 (1914): 967-987.
Ou a gravidade se comporta não localmente, ou há alguma forma invisível de massa: matéria escura. Mas há uma maneira fácil de distinguir esses dois! Basta dar uma olhada em aglomerados de galáxias que não estão em processo de colisão, ou olhar para dois aglomerados próximos que estão indo em direção um ao outro, mas ainda não se fundiram. Se a matéria escura é a explicação correta, o sinal da lente gravitacional deve traçar a distribuição da matéria: tudo deve ser local. Mas se a gravidade não local for a resposta, deve haver efeitos gravitacionais vistos onde a matéria não está localizada.
Felizmente, temos esses dados e temos uma resposta.
Os contornos, acima, mostram a massa reconstruída do aglomerado de galáxias a partir de lentes gravitacionais, enquanto os pontos mostram galáxias observadas, codificadas por cores para uma variedade de desvios para o vermelho. Onde o aglomerado está quiescente, não há separação da matéria da gravitação. Crédito da imagem: H. S. Hwang et al., ApJ, 797, 2, 106.
Quando seu aglomerado não é perturbado, os efeitos gravitacionais estão localizados onde a matéria é distribuída. É somente após uma colisão ou interação que vemos o que parece ser um efeito não local. Isso indica que algo acontece durante o processo de colisão para separar a matéria normal de onde vemos os efeitos gravitacionais. A adição de matéria escura faz isso funcionar, mas a gravidade não local faria previsões diferentes de antes e depois que não podem combinar simultaneamente com o que observamos.
Curiosamente, esse argumento foi feito por mais de uma década, agora, sem contra-argumento satisfatório vindo de detratores da matéria escura. Não é o deslocamento da gravitação da matéria normal que prova a existência da matéria escura, mas sim o fato de que o deslocamento ocorre apenas em ambientes onde a matéria escura e a matéria normal seriam separadas por processos astrofísicos. Esta é uma questão fundamental que deve ser abordada, se as alternativas à matéria escura devem ser levadas a sério como teorias completas, em vez de ideias em sua infância. Esse tempo ainda não está próximo.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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